長江南京以下深水航道建設一期工程航道設計參數(shù)和乘潮水位利用探討

聞云呈，夏云峰，張世釗

（南京水利科學研究院，南京210024）

長江南京以下深水航道建設一期工程航道設計參數(shù)和乘潮水位利用探討

聞云呈，夏云峰，張世釗

（南京水利科學研究院，南京210024）

長江口深水航道建設三期工程已于2010年3月通過交工驗收，2010年底將上延至太倉蕩茜閘。為充分發(fā)揮長江口12.5 m深水航道治理工程的綜合效益，盡快實現(xiàn)與長江口12.5 m深水航道無縫對接，實施長江口12.5 m深水航道向上延伸至南通建設工程十分必要，而航道設計參數(shù)的確定是航道建設工程的一項重要內(nèi)容。文章在代表性船型確定的基礎上，通過航道設計寬度、水深以及工程區(qū)域潮汐特性的分析，確定了航道設計參數(shù)。并在此基礎上，探討了一乘和二乘模式下的乘潮概率以及水位利用。航道設計參數(shù)的研究為潮位的合理利用、減少疏浚工程量、提高航道通過能力提供了技術(shù)支撐。

深水航道一期工程；航道寬度；航道水深；乘潮水位

長江口12.5 m深水航道開通能滿足第三、四代集裝箱船和5萬t級船舶全潮雙向通航的要求，同時兼顧滿足第五、六代大型遠洋集裝箱船和10萬t級滿載散貨船及20萬t級散貨船減載乘潮通過長江口的要求。為充分發(fā)揮長江口12.5 m深水航道治理工程的綜合效益，適應沿江生產(chǎn)力發(fā)展需求，促進江蘇沿江產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和提升港口綜合服務能力，加快上海國際航運中心建設，深化長江三角洲及長江流域地區(qū)改革開放，促進區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級，盡快實現(xiàn)與長江口12.5 m深水航道無縫對接，實施長江口12.5 m深水航道向上延伸至南通建設工程是十分必要的。其中航道設計參數(shù)的確定是航道建設工程的一項重要內(nèi)容，特別是在潮汐河口，航道設計參數(shù)的確定必須結(jié)合當?shù)氐某毕卣鳌⒏劭诩昂降澜ㄔO情況等，合理利用潮位，優(yōu)化通航方式，以達到減少疏浚工程量、提高航道通過能力的目的。本次研究分析了船舶乘潮歷時、乘潮水位，優(yōu)化了船舶的乘潮方式，為航道建設提供技術(shù)支撐。

1 自然條件

1.1工程河段概況

長江南京以下深水航道一期工程位于太倉～南通河段，該河段上承南通水道，下與瀏河水道相連，全長約56 km（太倉蕩茜閘至南通天生港區(qū)），上距南京市約250 km，下距上海市約37 km，距河口約130 km。左岸為江蘇省南通市、上海市崇明縣，右岸為蘇州市的張家港市、常熟市與太倉市，主要由通州沙和白茆沙水道組成。

太倉～南通河段主要由通州沙水道和白茆沙水道組成。通州沙水道上起龍爪巖，下至徐六涇，全長22 km。水道進口及出口河寬相對較窄，約5.7 km，中間較寬，最大河寬達10 km以上。水道在中上段被通州沙分成東、西兩水道，目前通州沙東水道為主汊，全潮分流比約在90％以上，通州沙東水道下段又被狼山沙分成東、西兩水道，現(xiàn)狼山沙東水道為主汊，分流比約為77％。

白茆沙水道上起徐六涇，下至七丫口（位于蕩茜閘下游約8 km），全長約33 km，以白茆河口為界分為徐六涇節(jié)點段和白茆沙汊道段。徐六涇節(jié)點段進口河寬約5.7 km，往下逐漸放寬，白茆河口附近河寬約7.5 km，河道南、北兩岸分別為白茆小沙及新通海沙，兩沙均為水下暗沙。徐六涇節(jié)點段主流多年貼南岸，過白茆小沙后北偏進入白茆沙汊道段，在白茆沙頭分為兩股水流分別進入白茆沙南、北水道（圖1）。

圖1 江陰～瀏河口河段示意圖Fig.1Sketch of the reach from Nanjing to Liuhekou

1.2大通站水沙條件

由圖2可見，一年當中，最大流量一般出現(xiàn)在7、8月份，最小流量一般在1、2月份。徑流在年內(nèi)分配不均勻，5～10月為汛期，其徑流量占年徑流總量70.47％、沙量占87.24％，表明汛期水量、沙量比較集中，沙量集中程度大于水量。

圖2 1951年～2014年大通站徑流、輸沙總量Fig.2Total amount of runoff and sediment by Datong station in 1951 to 2014

工程河段懸沙中值粒徑范圍為0.001～0.025 mm。河床質(zhì)分析表明，本河段底沙主要是細沙，床沙粒徑分布為：主槽床沙較粗，中值粒徑d50=0.13～0.25 mm，江心沙灘上底沙較細，d50一般在0.1 mm。

1.3工程河段潮汐、潮流

長江口為中等強度潮汐河口，長江口南支河段潮汐屬于非正規(guī)半日潮，一漲一落平均歷時12 h25 min，一個太陽日24 h50 min有兩漲兩落，且日潮不等。每年春分至秋分為夜大潮，秋分至次年春分為日大潮。最高高潮位一般出現(xiàn)在8～9月份，一般為臺風、大潮和大洪水遭遇形成，最低低潮位出現(xiàn)在4月份。最大潮差4 m以上，最小潮差0.02 m。在徑流與河床邊界條件阻滯下，潮波變形明顯，漲落潮歷時不對稱，漲潮歷時短，落潮歷時長，潮差沿程遞減，落潮歷時沿程遞增，漲潮歷時沿程遞減。工程河段自上而下以天生港、徐六涇和楊林站為代表的潮汐特征值如表1（1985～2009年）。

表1 太倉～南通河段沿程各站的潮汐統(tǒng)計特征（85高程）Tab.1Tide statistical characteristics by stations from Taicang to Nantong（85 Datum）m

工程河段落潮流是塑造河床的主要動力，落潮穩(wěn)定期流速垂線分布總體基本符合對數(shù)分布形式，呈現(xiàn)上大下小的分布規(guī)律；由于主支汊動力的差異，三沙河段深槽內(nèi)水流慣性大，后漲后落，灘及洲灘水流先漲先落，同時出現(xiàn)漲落潮主動力軸線分離現(xiàn)象；天生港水道進口、北支口（青龍港附近）出現(xiàn)漲潮的匯潮點［1］。

1.4工程河段泥沙

工程河段河床底沙中值粒徑總體呈現(xiàn)洪季大于枯季，主槽大于灘地，上游大于下游；洪季條件下三沙河段主槽底沙中值粒徑一般在0.1～0.25 mm，洲灘底沙中值粒徑一般在0.01～0.08 mm；枯季條件下三沙河段主槽底沙中值粒徑一般在0.1～0.2 mm，洲灘底沙中值粒徑一般在0.01～0.06 mm。洪季懸沙中值粒徑總體沿程變化不大，主槽和淺灘相差不大，主支汊無明顯變化；枯季條件下，下游漲潮流強，受海外來沙以及底沙沖刷再懸浮影響等因素影響，徐六涇以下河段懸沙中值粒徑較徐六涇以上河段粗，主槽懸沙中床沙質(zhì)與沖泄質(zhì)的分界粒徑約0.04 mm，主槽河床造床以底沙為主，懸沙中10％～15％的床沙質(zhì)參與造床，通州沙、白茆沙主槽顆粒級配曲線圖見圖3。

圖3 通州沙、白茆沙主槽顆粒沙級配曲線Fig.3Sediment grading curve in main channels of Tongzhou and Baimao sand shoal

1.5現(xiàn)行的航道標準

1992年前通州沙水道最大維護尺度為8 m×200 m（水深×航寬），白茆沙水道最大維護尺度為200 m×7.1 m，1992年后通州沙水道航道維護尺度提高到8.5 m× 200 m（水深×航寬），白茆沙水道航道維護尺度仍維持7.1 m×200 m（水深×航寬）。在2003年7月1日實施長江下游江蘇段船舶定線制后，主航道維護尺度均為8.5 m×500 m×1 050 m（水深×航寬×彎曲半徑），水深維護保證率為98％。從2004年4月1日起，長江航道局又將龍爪巖～七丫口河段設標水深提高到9 m，設標寬度為500 m。2005年11月1日長江下游10.5 m深水航道上延工程實施完成后，兩水道深水航道實際維護尺度進一步提高為10.5 m×500 m×1 050 m，白茆沙北水道為江輪航道［2］，現(xiàn)狀維護尺度為4.5 m×500 m（表2）。

表2 太倉～南通河段計劃航道尺度和水深保證率表（理論最低潮面）Tab.2Channel scale and water depth assurance rate in plan from Taicang to Nantong（theoretically lowest tide level）

2 工程河段潮位特性

2.1沿程潮汐特征變化

長江下游南京至吳淞口潮位特征見圖4，從圖4可以看出最高潮位通常出現(xiàn)在臺風、天文潮和大徑流三者或兩者遭遇之時，其中臺風影響較大。1997年8月19日農(nóng)歷七月十七日，11#臺風和特大天文大潮遭遇，江陰站至長江口沿程各潮位站出現(xiàn)建站以來最高潮位；1996年八號臺風，正值農(nóng)歷六月十七天文大潮，遭遇上游大洪水（長江大通站流量達72 000 m3/s），江陰以上三江營，鎮(zhèn)江站出現(xiàn)歷史上最高潮位。江陰以下臺風占主要因素，江陰以上出現(xiàn)的最高潮位則是以上游徑流加上下游的天文大潮所產(chǎn)的效應。

圖4 長江下游南京至吳淞口各潮位站潮位特征Fig.4Tide statistical characteristics by stations from Nanjing to Wusongkou

長江口潮流界隨徑流強弱和潮差大小等因素的變化而變動，枯季潮流界可上溯到鎮(zhèn)江附近，洪季潮流界可下移至西界港附近。據(jù)實測資料統(tǒng)計分析可知，當大通徑流在10 000 m3/s左右時，潮流界在江陰以上，當大通徑流在40 000 m3/s左右時，潮流界在如皋沙群一帶，大通徑流在60 000 m3/s左右時，潮流界將下移到蘆涇港～西界港一線附近［3］。

2.2沿程潮汐特征變化

從高、低潮位與大通流量的相關關系可以看出，大通流量與沿程各站的高低潮位具有一定的相關性，且越往上游相關性越好，越往下游受潮汐影響越明顯，點群有所分散，相關系數(shù)有所減小（圖5）。

3 工程河段設計參數(shù)的研究

3.1設計代表船型及其建設規(guī)模

根據(jù)港口航道現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，南京以下港區(qū)對航道均有滿足5萬t級海船通航的要求。一期工程河段（太倉～南通段）航道的設計船型為5萬t級船舶，5萬t級以上船舶作為兼顧通航船型。根據(jù)設計船型通航的要求，航道的建設規(guī)模為：滿足5萬t級集裝箱船（吃水11.5 m）全潮、5萬t級及其以上大型船舶減載乘潮雙向通航，同時兼顧5萬t級集裝箱船與其他5萬t級及以上船舶與之交會通航、適當水域可同向追越的航道（表3、表4）。

圖5 大通流量與江陰、徐六涇站高低潮位相關關系Fig.5Relationship between runoff by Datong station and high and low tide level by Xuliujing and Jiangyin station

表3 工程河段設計代表船型Tab.3Representative ship scale in engineering section

表4 各航段漂移倍數(shù)n和風、流壓偏角γ值Tab.4Drift multiple，wind and flow pressure slip angle of each channel reach

3.2航道的有效寬度

根據(jù)交通運輸部《海港總平面設計規(guī)范》（JTJ211-99），按5萬t級船舶雙向通航，在各風、流壓偏角情況下計算得到的航道有效寬度如表5所示。綜合考慮優(yōu)良深槽的合理利用以及上下航道的平順銜接，工程河段航道有效寬度取350 m。目前定線制分道航行規(guī)定的航寬500 m，上下行航道各為200 m，中間為100 m隔離帶，可滿足上述要求。

表5 5萬t級航道有效寬度表Tab.5Effective width of 50 000 t channel

3.3航道的設計水深

根據(jù)交通部《海港總平面設計規(guī)范》（JTJ211-99）規(guī)定，航道通航水深按下式計算。

航道通航水深：D0＝T+Z0+Z1+Z2+Z3

航道設計水深：D＝D0＋Z4

式中：D0為航道通航水深，m；T為設計船型滿載吃水，m，咸淡水影響系數(shù)1.025；Z0為船舶航行時船體下沉值，m；Z1為船舶龍骨下富裕深度，m；Z2為波浪富裕深度，m；Z3為船舶裝載縱傾富裕深度，m，散貨船取0.15 m；D為航道設計水深，m；Z4為備淤深度，m，考慮常年維護不設備淤；航行富余水深=Z1+Z2+ Z3+Z4。

根據(jù)船舶通航特性，船舶通航水深包括船舶吃水及船舶富余水深，其中船舶富余水深中還要考慮咸淡水差超深?？紤]到長江南京以下12.5 m深水航道建設一期工程（太倉～南通段）的實際情況以及江蘇海事局通告（2007年第24號），就5萬t集裝箱船而言，咸水中凈吃水11.5 m，淡水中凈吃水11.79 m，航行富余水深1.43 m，航道設計水深為13.22 m。

3.4航道設計底標高的確定

航道底標高、設計底標高、通航水深和設計水深的相互關系如圖6所示。不考慮備淤深度條件下，以理論最低潮面為參考理論基面，航道設計底標高ZD和航道底標高一致，ZD=D-h。h為設計潮位，相應通航保證率條件下可利用的理論最低潮面以上的設計潮位。

圖6 相互關系圖Fig.6Relationship map

由工程河段南通水道天生港潮位站和白茆沙水道白茆河口潮位站為代表，分析本河段通航保證率為90％和98％時可利用低水位設計值（表6）。

表6 設計潮位值（理論最低潮面）Tab.6Design tide level（theoretically lowest tide level）m

綜合考慮通州沙和白茆沙水道利用潮位情況，90％通航保證率低水位設計潮位取為0.80 m，98％通航保證率低水位設計潮位取為0.55 m［4-7］。

根據(jù)相關規(guī)范，滿足90％通航保證率即為滿足全潮通航要求。由表7可知，在滿足5萬t級集裝箱船（吃水11.5 m）全潮、5萬t級及其以上大型船舶減載乘潮雙向通航［8］，同時兼顧5萬t級集裝箱船與其他5萬t級及以上船舶與之交會通航、適當水域可同向追越的航道的條件下，航道底標高為12.5 m。

表7 航道設計底標高（理論最低潮面）Tab.7Design of channel elevation（theoretically lowest tide level）

4 工程河段乘潮乘水利用研究

乘潮進河口到達天生港區(qū)的船舶，需要從長江口外依次通過長江口三期深水航道、吳淞口航道、寶山航道、白茆沙航道、徐六涇航道、通州沙航道到達天生港區(qū)。在乘潮通航分析時，有必要結(jié)合船舶的實際通航情況，分析計算船舶從口外至天生港區(qū)整個航道段的乘潮水位及通航方式。

長江口航路復雜，并且沿岸分布眾多碼頭，船舶進出航道較為頻繁，進出航道的船舶由于制動或提速使得航道內(nèi)船舶航速存在差異。因此在乘潮歷時分析計算時，有必要對復雜的航行過程進行適當概化，在此認為船舶進出長江口滿足以下通航兩個條件：（1）船舶進出河口航速（對地）取為12節(jié)；（2）船隊進出河口時，船舶間的安全距離為1.0海里。

按《海港總平面設計規(guī)范（JTJ 211-99）》規(guī)定，乘潮時間可采用下式確定

式中：ts為乘潮時間，h；kt為時間富裕系數(shù)，取1.1～1.3；t1為每潮次船舶通過航道的持續(xù)時間，h，其中包括船舶間追蹤航行的間隔時間；t2為一艘船舶在港內(nèi)轉(zhuǎn)頭的時間，h；t3為一艘船舶靠離碼頭的時間，h。

在暫不考慮船舶在港內(nèi)轉(zhuǎn)頭和靠離碼頭時間的情況下，根據(jù)船舶航行持續(xù)時間，并考慮1.2倍的時間富裕系數(shù)，計算得到單船或船隊進出河口的乘潮歷時，計算結(jié)果如表8。

表8 船舶進出河口乘潮歷時計算成果Tab.8Riding tide lasted time for ships entering and leaving the estuaryh

表9 進、出港乘潮水位表（口外～天生港區(qū)）Tab.9Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from outside the estuary to Tiansheng Harbor）m

按航道的通航標準，除5萬t級集裝箱船（實載11.5 m）全潮通航外，其余5萬t級及以上船型需乘潮進出港。由于從長江口口外至南通天生港區(qū)航道較長，大型船舶乘潮可考慮一潮進出港和分段乘潮進出港兩種乘潮情況。

4.1口外～天生港一乘進出港乘潮分析

口外～天生港進港指船舶從長江口深水航道口外依次通過北槽三期深水航道、吳淞口航道、寶山航道、白茆沙航道、徐六涇航道、通州沙航道下段到達南通天生港區(qū)，全程約200 km。天生港～口外出港則反之，指船舶從南通天生港區(qū)出發(fā)，沿通州沙航道下段、徐六涇航道等直至長江口深水航道口外。若船舶航速按12節(jié)考慮，則航行持續(xù)時間約9 h，考慮時間富裕后取全程乘潮歷時11 h。利用航道沿程天生港和牛皮礁站2003年同步全年潮位資料可得到進港不同乘潮保證率對應的乘潮水位（表9）。從工程河段的潮波特性可以看出，從口外～天生港區(qū)一次乘潮11 h基本無潮可乘。

4.2口外～天生港二乘進出港乘潮分析

（1）口外～寶北超大型錨地進、出港乘潮水位。

口外～寶北超大型錨地進、出港乘潮是指考慮利用航道中部已有的寶北超大型錨地錨泊候潮，分段乘潮通過航道。進港時從口外乘潮沿長江口三期深水航道、吳淞口航道和寶山航道，進入寶北超大型錨地錨泊候潮，待下一個漲潮過程再繼續(xù)上行到太倉港或南通港。出港則反之，即從太倉港或南通港使出的船舶先乘潮到寶北超大型錨地錨泊候潮，利用下一個漲潮過程再繼續(xù)駛向口外［9-10］。

從表10～表12可以看出，隨著上游徑流的不同，同一保證率條件下口外到超大錨地進出港所對應的潮位值有所不同，洪季、枯季相差值一般在0.3 m左右；研究表明，同一乘潮潮位條件下洪季的保證率較枯季大。

表10 進、出港乘潮水位表（口外～寶北超大型錨地、全系列）Tab.10Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from outside the estuary to Baobei super anchorage，all seasons）m

表11 進、出港乘潮水位表（口外～寶北超大型錨地、洪季）Tab.11Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from outside the estuary to Baobei super anchorage，flood season）m

表12 進、出港乘潮水位表（口外～寶北超大型錨地、枯季）Tab.12Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from outside the estuary to Baobei super anchorage，dry season）m

（2）寶北超大型錨地～天生港區(qū)進、出港乘潮水位。

寶北超大型錨地～天生港區(qū)進、出港乘潮是指考慮利用航道中部已有的寶北超大型錨地錨泊候潮，分段乘潮通過航道。

從表13～表15可以看出，隨著上游徑流的不同，同一保證率條件下口外到超大錨地進出港所對應的潮位值有所不同，洪季、枯季相差值一般在0.5～0.7 m；與口外到超大錨地進出港同一保證率下洪、枯季相差值對比表明，越往上游徑流作用越加明顯，由于上游徑流所帶來的同一保證率條件下洪、枯季進出港乘潮水位值的差值越大。研究表明，同一乘潮潮位條件下洪季的保證率較枯季大。

表13 進、出河口乘潮水位表（寶北超大型錨地～天生港區(qū)、全系列）Tab.13Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from Baobei super anchorage to Tiansheng Harbor，all seasons）m

表14 進、出河口乘潮水位表（寶北超大型錨地～天生港區(qū)、洪季）Tab.14Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from Baobei super anchorage to Tiansheng Harbor，flood season）m

表15 進、出河口乘潮水位表（寶北超大型錨地～天生港區(qū)、枯季）Tab.15Riding tide level for ships entering and leaving the harbor（from Baobei super anchorage to Tiansheng Harbor，dry season）m

5 結(jié)語

（1）研究表明，長江南京以下12.5 m深水航道建設一期工程航道設計水深約13.2 m，而太倉～南通段沿程主要潮位控制站（白茆河口和天生港）低潮90％對應的設計低水位約0.8 m，為此工程區(qū)域12.5 m的航道底標高可基本滿足5萬t級集裝箱船全潮通航的要求。

（2）由于工程河段受上游徑流、下游潮汐的共同作用，同一保證率條件下洪、枯季進出港乘潮水位值的差值越大，且洪季的保證率較枯季大。

［1］陳宗鏞.潮汐學［M］.北京：科學出版社，1980.

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［3］聞云呈，夏云峰.大通～長江口一維水沙數(shù)學模型計算研究［R］.南京：南京水利科學研究院，2005.

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［9］聞云呈，張世釗.長江口12.5米深水航道向上延伸至太倉（天生港區(qū)）建設工程通航標準研究［R］.南京：南京水利科學研究院，2011.

［10］張華，黃志揚.長江口12.5米深水航道向上延伸至南通（天生港區(qū)）建設工程工程可行性研究通航標準研究［R］.上海：中交上海航道勘察設計研究院有限公司，2011.

Investigation on channel design parameters of deepwater channel phase I project of the Yangtze River downstream Nanjing

WEN Yun?cheng,XIA Yun?feng,ZHANG Shi?zhao
（Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024,China）

The deepwater channel construction phase III project of the Yangtze estuary has been acceptance checked in March 2010,the deepwater channel would be extended upward to Dangxi Gate of Taicang by the end of 2010.In order to maximize the comprehensive benefits of 12.5 m deepwater channel regulation project and achieved seamless connection with 12.5 m deepwater channel as soon as possible in Yangtze estuary,it is very nec?essary to implement the project of 12.5 m deepwater channel extends upward to Nantong,and an important work is to determine the channel design parameters.Based on the representative ship scale determination,through the anal?ysis of channel design width,depth and tidal characteristics of the project area,the channel design parameters were determined in this paper.On the basis of the above studies,tide level use and riding tide probability under one and two models were investigated respectively.Navigation standards research can provide technical support for rational tide level use,dredging amount decrease and channel transit capacity improvement.

deepwater channel phaseⅠproject;channel width;channel depth;tide riding level

U 612

A

1005-8443（2016）02-0159-07

2015-07-03；

2015-12-23

水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室基金（Y214012）

聞云呈(1979-)，男，高級工程師，主要從事河口海岸泥沙研究。

Biography：WEN Yun?cheng（1979-），male，senior engineer.